Влияние легирующих элементов
На диффузионные процессы, происходящие при отпуске закаленной стали, оказывают существенное влияние легирующие элементы. Они не только сами обладают малой диффузионной подвижностью, но и уменьшают диффузионную подвижность атомов железа, углерода и дефектов кристаллической решетки.
На процесс образования промежуточных карбидов и на обеднение вокруг них участков мартенсита, т.е. на процесс двухфазного распада, легирующие элементы существенного влияния не оказывают.
На вторую стадию распада мартенсита легирующие элементы могут существенно влиять, сохраняя пересыщенность мартенсита и замедляя рост карбидных частиц.
В углеродистой стали после отпуска при температуре 300°С тетрагональность a–раствора почти полностью исчезает. При содержании в a-растворе:
– 2.0% молибдена температура распада мартенсита повышается на 100°С;
– при легировании 1,9% V и 1,4% Ti температура распада повышается на 150°С;
– при совместном легировании хромом и вольфрамом – на 200°С;
– значительно задерживают распад мартенсита кобальт и кремний.
Легирующие элементы особенно значительно влияют на процесс коагуляции карбидов при температурах выше 450°С.
При значительном легировании стали карбидообразующими элементами (Сr, W, Мо, V) возможно образование специальных карбидов (М23С6, М7С3, М2С). Специальные карбиды значительно дисперснее, чем цементит, поэтому выделение их является главное причиной появления вторичной твердости при отпуске.
Большинство легирующих элементов повышают температурную область распада остаточного аустенита до 500-600°С.
В высоколегированных сталях (высокохромистых, быстрорежущих) распад остаточного аустенита происходит не при температуре отпуска, а во время охлаждения. Причиной этого является выделение карбидов вo время выдержки при температуре отпуска, в результате чего устойчивость аустенита и температура мартенситного превращения понижаются. Поэтому распад остаточного аустенита происходит во время охлаждения до комнатной температуры. Продуктом распада является мартенсит.
Таким образом, в зависимости от температуры нагрева в процессе отпуска формируются следующие структуры: отпущенный мартенсит, троостит и сорбит отпуска; при атом соответственно изменяются механические свойства стали (рис. 27).
Рис. 27. Механические свойства стали 40 в зависимости от температуры отпуска
Как видно из рис. 27, с повышением температуры отпуска предел прочности и твердость понижаются, а пластичность и ударная вязкость повышаются.
В соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к изделиям, применяют следующие виды отпуска:
– низкий;
– средний;
– высокий.
Низкий отпуск – нагрев закаленной стали до 150–200°С. Время выдержки при этом рекомендуется 2,0 – 3,0 ч. Выдержка должна обеспечить получение стабильной структуры для данной температуры отпуска.
Низкий отпуск применяется для частичного снятия внутренних напряжений, повышения вязкости и пластичности стали без заметного снижения твердости. Этому виду отпуска подвергают детали, для которых требуется высокая твердость и износоустойчивость (измерительный и режущий инструмент, изделия из цементуемых сталей).
Структура стали – отпущенный мартенсит, твердость которого лежит в пределах HRC 56‑64.
Средний отпуск ‑ нагрев закаленной стали до 300‑400°С. Время выдержки рекомендуется 1,0‑2,0 ч. При этом отпуске обеспечивается относительно высокая твердость изделия HRC 40‑45 и максимальный предел упругости при достаточном пределе прочности. Этот вид отпуска чаще всего применяют при изготовлении рессор и пружин.
После среднего отпуска получают структуру троостита отпуска.
Высокий отпуск – нагрев закаленной стали до 500‑600°С. Время выдержки рекомендуется 0,5‑1 ч. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска, твердость HRC 30‑32. Высокий отпуск обеспечивает более полное снятие напряжений и дает наилучшее сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости. Этот отпуск применяют при изготовлении шатунов, ответственных крепежных изделий и деталей машин, изготовляемых из конструкционных сталей.
Двойная термическая обработка, состоящая в закалке с последующим высоким отпуском, существенно улучшающая общий комплекс механических свойств, является основным видом термической обработки, конструкционных сталей и называется улучшением.
Отпуск некоторых легированных сталей при температурах 250–400°С и 500–650°С может снизить ударную вязкость (рис. 28). Такое снижение вязкости получило название отпускной хрупкости. Первый вид отпускной хрупкости, называемой отпускной хрупкостью первого рода, наблюдается в результате отпуска при температуре 250–4000С.
Рис. 28. Изменение ударной вязкости легированной стали от температуры отпуска: 1 – при быстром охлаждении; 2 – при медленном охлаждении
Причиной отпускной хрупкости первого родаявляется распад мартенсита с неоднородным выделением карбидов по границам и в объеме зерна; больше карбидов выделяется в пограничных слоях, что и вызывает хрупкое разрушение с характерным межкристаллитным изломом по границам бывших аустенитных зерен. Отличительной особенностью хрупкости первого рода является ее необратимый характер; повторный отпуск при этой же температуре не улучшает вязкости.
При увеличении температуры выше 400°С распад мартенсита распространяется и в глубь зерна, в результате чего структура выравнивается и хрупкость устраняется, но при этом снижается твердость. Повторный нагрев при 250–400°С отпускной хрупкости не вызывает. Кроме легированных сталей, отпускная хрупкость первого рода свойственна и углеродистым сталям.
Отпускная хрупкость второго рода при температуре 500–650°С возникает только в том случае, если охлаждение после нагрева – медленное (в печи или на воздухе). Причиной хрупкости является выделение по границам зерен каких-либо фаз (фосфидов, карбидов, нитридов и др.). При быстром охлаждении после нагрева (в воде или масле) эти фазы выделиться не успевают и хрупкости не наблюдается. Характерной особенностью отпускной хрупкости второго рода является ее обратимость. Хрупкость, возникшая в результате медленного охлаждения с температур 500–650°С, может быть устранена повторным отпуском с последующим быстрым охлаждением или может быть вызвана вновь дополнительным отпуском определенной длительности при температуре 500–550°С.
Наиболее восприимчивы к отпускной хрупкости второго рода стали, содержащие повышенное количество фосфора или марганца, а также хромомарганцевые и хромоникелевые стали. Введение в сталь небольшого количества молибдена (0,2–0,3%) или вольфрама (0,5–0,7%) значительно уменьшает склонность стали к отпускной хрупкости второго рода.
Порядок выполнения работы
Для выполнения работы студентам предоставляют образцы закаленных сталей, печи для нагрева образцов.
Студенты должны:
1) замерить твердость закаленных образцов на приборе Роквелла;
2) выбрать режимы отпуска закаленной стали с целью:
а) снятия внутренних напряжений без снижения твердости;
б) получения твердости HRС 40–45;
в) получения твердости HRC 28–32;
3) произвести по выбранным режимам отпуск закаленных образцов;
4) замерить твердость образцов после отпуска на приборе Роквелла; результаты занести в табл. 6;
5) построить график, зависимости твердости от температуры отпуска;
6) написать отчет о проделанной работе.
Таблица 6
Протокол исследования отпуска закаленной стали
| Номер образца | Твердость после закалки, HRC | Температура отпуска, °С | Время выдержки при отпуске, мин | Твердость после отпуска, HRC | Предполагаемая микроструктура |
Содержание отчета
В отчете необходимо описать структурные превращения, протекающие в стали в зависимости от температуры отпуска, привести экспериментальные и графические данные, дать характеристику строения и свойств полученных структур.
Контрольные вопросы
1. Теория отпуска стали.
2. Назначение и виды отпуска стали.
3. Различие в строении продуктов закалки и отпуска (мартенсита, аустенита).
4. Структура стали после отпуска.
5. Твердость стали после отпуска.
6. Мартенсит отпуска.
7. Бейнит отпуска.
8. Троостит отпуска.
9. Сорбит отпуска.
10. Структурные изменения аустенита в результате отпуска.
11. Улучшение стали.
12. Каково влияние легирующих элементов на процесс коагуляции феррито-цементитной смеси при температурах отпуска выше 450°С?
13. Какие фазы образуются при значительном легировании стали карбидообразующими элементами?
14. Что такое явление вторичной твердости при отпуске? Укажите ее причину.
15. Как влияют легирующие элементы на температурную область распада остаточного аустенита?
16. Механические свойства стали после отпуска.
17. Причина отпускной хрупкости стали.
18. После ТО углеродистой стали получена структура цементит – мартенсит отпуска. Нанесите на диаграмму состояния Fe-Fe3C ординату закаленной стали (примерно) и укажите температуру нагрева этой стали под закалку. Назначьте температуру отпуска, обеспечивающую получение заданной структуры. Опишите все превращения, которые совершились в стали в процессе закалки и отпуска.
19. После ТО углеродистой стали получена структура феррит – мартенсит отпуска. Нанесите на диаграмму состояния Fe-Fe3C ординату закаленной стали (примерно) и укажите температуру нагрева этой стали под закалку. Назначьте температуру отпуска, обеспечивающую получение заданной структуры. Опишите все превращения, которые совершились в стали в процессе закалки и отпуска.
20. Используя диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите температуру закалки стали У12, опишите происходящие в процессе закалки превращения и получаемую структуру. Какой дополнительной обработке необходимо подвергать закаленную сталь У12 для устранения остаточного аустенита?
21. Перечислите возможные продукты распада аустенита при различных скоростях охлаждения стали 80.
22. Перечислите структуры сталей после правильно проведенной закалки: сталь 40, сталь 70, У12.
23. Перечислите структуру и свойства стали 40 и У12 после закалки от температур 750°С и 850°С (объясните с применением диаграммы состояния железо – карбид железа).
24. Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) валов из стали 40. Опишите сущность происходящих превращений, микроструктуру стали на всех этапах термообработки и свойства после термообработки.
25. Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) пружин из стали 65. Опишите сущность происходящих превращений, микроструктуру стали на всех этапах термообработки и свойства после термообработки.
26. Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) режущего инструмента из стали У10. Опишите сущность происходящих превращений, микроструктуру стали на всех этапах термообработки и свойства после термообработки.
27. Образование аустенита
28.Распад аустенита
29.Образование мартенсита
30. Распад мартенсита
СОДЕРЖАНИЕ
Введение..........................................................................................3
Лабораторная работа № 1. Влияние углерода на структуру
свойства стали в равновесном состоянии …………………………4
Лабораторная работа № 2. Закалка стали ….....……………….....32
Лабораторная работа № 3. Отпуск стали .....................................60